地铁工程中砾质黏土热物理指标的相关性分析

2018-08-29龚姝华李培刚程道来

铁道勘察 2018年4期

曹权龚姝华李培刚万衡程道来

(上海应用技术大学，上海 201418)

岩土的热物理性指标反映了土体的导热、储热、导温等性能，主要包括导热系数、比热容和导温系数等。地铁工程中岩土的热物理性指标是车站空调系统节能、通风节能计算以及冻结法施工的重要参数，对降低地铁造价、节省能源和环境控制等具有重要意义[1-3]。传统岩土工程中很少涉及材料热物理指标方面的内容，其实验测定并不普及，且目前还没有相关的试验规范，准确测试岩土的热物理指标尚比较困难。

基于当前热物理指标实验测定尚不普及的现状，许多学者试图建立关系式来计算岩土的热物理指标。目前，建立这些关系式的方法主要有两类：①基于室内或现场测试的热物理性参数，通过统计分析得到某一类土的经验公式[4-10]；②基于热传导理论，建立岩土体热物理性参数的理论计算公式(由于涉及的影响因素较多，在进行理论推导时要对岩土结构进行简化，以便进行数学分析[11-12])。这些研究成果表明，岩土的热物理指标与岩土孔隙率、含水量和密度等相关性较高。

岩土体具有非连续、多相和天然变异等特性，影响其热物理性指标的因素很多，如地层岩性、孔隙率、含水率、温度、构造等[13]，建立可靠的理论计算模型较为困难。国内地铁建设在岩土热物理指标值获取方面已有30多年的实践积累。岩土热物理参数主要取决于岩土三相物质的组成比例，这为开展岩土的实测热物理指标与其主要三相比例指标间相关性研究提供了可能。

对深圳地铁2号线的热物理指标原始数据进行收集，在统计分析的基础上，提出根据砾质黏土含水量、孔隙比、密度计算比热容和导热系数的经验计算公式，为地铁工程勘察、设计中岩土热物理指标的确定提供了一种较为简单的方法。

1 土层热物理指标收集及整理说明

本次收集了深圳地铁(1、2、5、7 和 11 号线)地铁车站、区间、出入段线和联络线等共计183个工点的岩土热物理测试数据，共计812组。涉及淤泥、黏土、粉质黏土、砾质黏土、细砂、中砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩、素填土等不同地层，考虑黏土、粉土和砂的热物理性质已有学者开展了相关研究，而对花岗岩残积成因的砾质黏土的研究较少。因此，以深圳地铁2号线香梅北站14组砾质黏土试验数据为例，对该处岩土热物理测试指标相关性进行研究(见表1)。相关公式利用线性回归分析的方法进行计算，并利用最小二乘法计算其判定系数，以定量评价其相关程度。

表1 砾质黏土土样性质

2 砾质黏土的热物理指标相关性分析

2.1 热物理指标与含水量

对14组试样含水量和比热容数据进行统计分析，统计结果如图1所示。

图1 砾质黏土含水量与比热容的关系曲线

由图1可知，砾质黏土的比热容随含水量的增加而增大，这主要是由于水(20 ℃)的比热容约为4.18 J/(kg·K)，而花岗岩砾石为0.65 J/(kg·K)，一般干泥土为0.84 J/(kg·K)，由此可见，水的比热容较土颗粒和砾石高很多，所以土中含水率越高，比热容也越大。砾质黏土的比热容和含水量的线性拟合关系式为

C=5.433 9w-0.256 0

(1)

式中，比热容C的单位为 J/(kg·K)，上式的判定系数r2=0.957 38，说明砾质黏土的含水量与比热容高度线性相关。

同样对这14组试样含水量和导热系数数据进行统计分析，统计结果如图2所示。

图2 砾质黏土含水量与导热系数的关系曲线

由图2可知，砾质黏土的导热系数随含水量的增大而降低，主要是因为砾质黏土中砾石和固体土颗粒导热系数一般分别为2.5 W/(m·K)和0.2 W/(m·K)，而20 ℃水的导热系数一般为0.608 W/(m·K)，水的导热系数较固体部分低。随着含水量增大，砾石和固体土颗粒所占的比例相应降低，导致砾质黏土的导热系数下降。砾质黏土的导热系数和含水量的线性拟合关系式为

I=-0.101 81w+5.182 5

(2)

式中，导热系数I的单位为W/(m·K)，判定系数r2=0.762 23，虽然也能表明砾质黏土的导热系数和含水量有较高的线性相关，但较比热容与含水量的线性相关性低。